Pochvovedenie_Kovda_chast1

кислотами, например угольной, уксусной и др., образуя их соли аммония. Ион аммония может поглощаться почвой, растениями и микроорганизмами.

Частично аммиак окисляется с образованием иона азотистой кислоты, а затем — азотной. Этот процесс, открытый С. Н. Виноградским, называют нитрификацией. Первая стадия окисления аммиака до азотистой кислоты идет при участии бактерий рода Nitrosomonas, дальнейшее образование азотной кислоты идет при участии Nitrobacter. Источником углерода для этих бактерий служит СО2. Энергию для расщепления молекулы СО2 они полу­ чают при реакции окисления аммиака.

Ионы NO3 азотной кислоты усваивают микроорганизмы и высшие растения для синтеза белков. Но при определенных усло­ виях, когда затруднен доступ воздуха в почву, аэробные микро­ организмы начинают использовать кислород окисленных азотных соединений. Азотная кислота при этом восстанавливается с вы­ делением свободного газообразного азота или монооксида (Nx О). Этот процесс называется денитрификацией.

Так совершается круговорот азота в почве. В различных ти­ пах почвы и под различными типами растительности азотное пи­ тание может складываться по-разному: оно может быть аммиач­ ным, как в заболоченных почвах, нитратно-аммиачным, как в почвах хвойных лесов, и нитратным, как в почвах луговых степей и других хорошо аэрированных почвах.

Исследования моно- и дисахаридов последовательно в живом растительном материале, затем в опаде и подстилке показали изменение их содержания соответственно от 4—9% до десятых долей процента. Уровень содержания дисахаридов более высо­ кий, чем моносахаридов. Перепад содержания Сахаров по мере трансформации растительных остатков связан с постоянной ути­ лизацией этих компонентов дрожжами и другими микроорга­ низмами.

Белки и сахара наиболее быстро разлагаются в почве. Зерна крахмала в растениях структурированы, имеют оболоч­

ку из белка, иногда с присутствием целлюлозы. Гидролиз крах­ мала осуществляется при участии фермента амилазы. По мере трансформации растительных остатков идет быстрое и резкое уменьшение содержания крахмала.

Целлюлозу могут разлагать лишь около 5% микроорганиз­ мов, синтезирующих ферменты — целлюлазы. Молекула целлюло­ зы структурирована Фибрилла, в которую она скручена, покры­ та оболочкой из пектина и воска, которые составляют лишь 4%, но понижают скорость разложения на 2 порядка.

В тундровой зоне процесс разложения целлюлозы затормо­ жен. В течение года потери целлюлозы (в % по массе) на тун­ дровых глеевых почвах составили около 5, на тундровых почвах пятен — 2—3, на болотно-тундровых — 0,5. Для минерализации целлюлозы растительных остатков требуется в тундровых почвах пятен — от 30 до 50 лет, в тундровой глеевой — от 20 до 30, в

108

болотно-тундровой — около 200 лет. В хвойных лесах на подзо­ листых почвах полная минерализация целлюлозы протекает в те­ чение 5—6 лет, на дерново-подзолистых — 3—4, в злаковых сте­ пях на типичных черноземах — 2 лет.

Липиды разлагаются медленнее белков, сахаридов и крахма­ ла. Со временем скорость их трансформации замедляется и ста­ новится меньше, чем растительных остатков в целом. Происходит относительное накопление липидов. Картина осложняется нара­ станием биомассы грибов, участвующих в разложении опада, так как клетки грибов содержат до 20% липидов.

Ароматические соединения разлагаются преимущественно под воздействием грибов. В расщеплении лигнина принимают участие ферменты оксидоредуктазы, лиазы, эстеразы, лакказы. Исследо­ вание скорости трансформации лигнина в растительном опаде хвойных лесов показало, что, в то время как идет утилизация белков и углеводов, лигнин, как наиболее устойчивое в силу своей структуры соединение, относительно накапливается в разлага­ ющемся материале.

5.5. Органические вещества почвы индивидуальной (неспецифической) природы

В процессе трансформации остатков растений, животных и микроорганизмов, а также при поступлении в почву продуктов их метаболизма органическое вещество почвы обогащается веществами индивидуальной неспецифической природы. Они со­ ставляют 10—15% от органического вещества почвы. Среди них обычно выделяют следующие группы.

Азотсодержащие вещества представлены белками и амино­ кислотами. Белки — компоненты всех живых существ. Это поли­ меры, состоящие из аминокислотных остатков, соединенных амидной связью. В элементном составе белков кроме углерода, водорода и кислорода содержатся (в %) азот (15—19), сера (0,3—2,4) и часто фосфор (0,5—0,8). При разложении белковых веществ в почве образуются аминокислоты — карбокислоты, со­ держащие по крайней мере одну аминогруппу. Наиболее обычны в почве глицин, аланин, серии, цистеин, треонин, валин, метионин.

Углеводы — один из важнейших источников энергии для ми­ кроорганизмов и беспозвоночных животных, которые активно их разлагают, — обширная группа органических соединений, включающая собственно углеводы и соединения, близкородствен­ ные им. Собственно углеводы представлены моносахаридами (глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза, арабиноза, рибоза, ксилоза и др.), состоящими из одного сахарного звена; олигосахаридами, состоящими из 2—4, но всегда до 10 моносахаридных звеньев; полисахаридами — полимерами, состоящими из 11 и более моносахаридных звеньев. К полисахаридам, содержащим одинаковые молекулы, относятся пентозаны (полимеры пентоз)

109

и гексозаны (полимеры гексоз). Пентозаны представлены ксиланами и арабанами. К гексозанам (полимерная единица глюкозы) относятся крахмал, изолихенин, целлюлоза, полифруктозаны, полигалактаны, полиманнаны.

Гетерополисахариды — сополимеры различных сахаридов. К ним относятся арабиногалактаны, гемицеллюлозы, галактоманнаны, глюкоманнаны и арабиноксиланы.

Среди соединений, близкородственных углеводам, следует назвать полиурониды, состоящие из звеньев углеводов и уроновых кислот. К ним относятся камеди, слизи и пектиновые веще­ ства. Родственными углеводам считают и мукополисахариды, в их числе хитин (структурный компонент стенок грибов и внеш­ него скелета членистоногих) и тейхоевые кислоты (компонент клеточных стенок бактерий).

Липиды — большая группа органических соединений, которую делят на омыляемые и неомыляемые липиды. К омыляемым от­ носятся нейтральные жиры (эфиры глицерина и жирных кислот) и фосфолипиды (эфиры глицерина, жирных и фосфорной ки­ слот). К неомыляемым липидам относят жирные кислоты, сте­ роиды, изопреноиды, каратиноиды. К липидам часто относят также те соединения, которые при исследованиях не отделяются от липидов. Это алифатические и циклические углеводороды и их полимеры в смеси со спиртами, альдегидами и оксикислотами. Среди них следует назвать такие вещества, как воск, кутин, су­ берин, спорополленин.

Ароматические соединения и их производные включают моно­ циклические арены и их полимеры. К моноциклическим аренам относят ароматические кислоты, которые содержат одно бензоль­ ное кольцо и одну карбоксильную группу или более. Сюда отно­

и лигнин (полимер, состоящий из нескольких типов фенилпропановых единиц). Стойкость лигнина против разложения и его ароматическое строение дали основание ряду исследователей считать лигнин основным компонентом почвенного гумуса, уна­ следованным при разложении растительных остатков без суще­

Зольные элементы. В процессе разложения растительности в почву поступают поглощенные растениями зольные элементы, состав которых, по выражению В. И. Вернадского, охватывает всю таблицу элементов Менделеева. В процессе гумификации в конституционной части молекул органических веществ частич­ но сохраняются сера и фосфор.

Ежегодно в почву поступают свежие порции неспецифических

110

органических компонентов, которые частично минерализуются до СО2, H2O, NH3, N2, частично мигрируют за пределы почвенной толщи, а частично служат источником почвенного гумуса.

Органические вещества индивидуальной природы, особенно низкомолекулярные и ароматические кислоты, а также углеводы и фенолы, играют активную роль в процессах почвообразования как источники энергии и компоненты, способствующие перемеще­ нию по профилю многих минеральных компонентов.

5.6. Образование специфических органических веществ в почве (гумусообразование)

Наряду с процессами распада органических остатков и редук­ ции сложных органических молекул в почве протекает процесс синтеза гумусовых веществ. Они образуются из «обломков» биологических макромолекул или их мономеров, которые оказы­ ваются в почве благодаря метаболизму ее живого населения и деятельности экзоферментов.

Пути и механизмы образования гумусовых кислот издавна интересуют исследователей. Познание гумусовых веществ нача­ лось с их химического анализа. К концу XIX в. наряду с анали­ зом стали освещаться вопросы возможного синтеза гумуса почв. Зачинателем биологического направления в теории гумусообразования можно считать М. В. Ломоносова, который писал в 1761 г. в работе «О происхождении перегноя», что почвы про­ изошли «от согнития животных и растущих тел со временем». Большая заслуга в развитии этого направления принадлежит П. А. Костычеву, который экспериментально показал, что почвен­ ное органическое вещество является продуктом жизнедеятель­ ности животных и растительных организмов и в особенности почвенных микроорганизмов.

Прямым развитием этих работ были исследования С. П. Кравкова и его ученика А. Г. Трусова. Трусов полагал, что легко­ усвояемые органические кислоты являются косвенным источни­ ком гумусовых веществ, так как предварительно превращаются

вплазму микроорганизмов. Трудноусвояемые органические ве­ щества — лигнин, дубильные вещества и другие вещества слож­ ной ароматической природы — являются прямым источником гу­ мусовых веществ. Продукты их распада окисляются, конденси­ руются и превращаются в темноокрашенные сложные гумусовые вещества. Темноокрашенные гумусоподобные продукты получил Л. С. Майард (1912, 1917), соединив аминокислоты с углеводами. В. Р. Вильямc (1897, 1914, 1939) образование гумуса рассматри­ вал как процесс перемежающего синтеза органического вещества

ввысших организмах и разложения его микроорганизмами после отмирания, что и ведет к гумусообразованию. Направленность биохимических процессов и особенность химизма почвенного гу­ муса, по Вильямсу, определяется типом биологических группи­ ровок зеленых и бесхлорофилловых растений: древесная расти-

111

тельностъ и связанные с ней грибы, актиномицеты и анаэробные бактерии способствуют синтезу креповых кислот (фульвокислот),

растворимых в воде, способствующих подзолообразованию; луго­ вая травянистая растительность и ассоциирующиеся с ней аэроб­ ные и анаэробные микроорганизмы обусловливают синтез ульминовых кислот (бурых гуминовых); стенная травянистая расти­ тельность в комплексе с аэробными микроорганизмами обеспечи­ вают формирование гуминовых кислот. В. Р. Вильямc предложил очень обобщенную схему гумусообразования. Но он обратил внимание на комплекс факторов гумусообразования и среди них на источники органического вещества, «разлагатели» и условия гумусообразования. Ошибочным было представление В. Р. Вильямса о том, что гумусовые кислоты представляют собой экзоэнзимы.

Комплексному биохимическому подходу противостояло пред­

что лигнин растительных остатков, почти не изменяясь, состав­ ляет основу почвенного перегноя. В дальнейшем С. Ваксман (1937) развил эти представления, создав теорию образования гумуса как лигнино-протеинового комплекса. Согласно этой ги­ потезе взаимодействие лигнина с протеином протекает в резуль­ тате химической конденсации по типу шиффовых оснований. Следовательно, по Ваксману, гумус не представляет собой ни­ чего специфического.

Советская школа исследователей органического вещества во главе с И. В. Тюриным внесла решающий вклад в изучение со­ става, свойств и путей образования органического вещества в различных типах почв СССР. Тюрин рассматривал гумусообразование как сочетание ряда противоречивых процессов: раститель­ ные и животные остатки разлагаются под влиянием почвенных животных, микроорганизмов и абиотических факторов; продук­ ты разложения — соединения циклического характера и синтези­ рованная микроорганизмами плазма — в результате окисления и полимеризации с участием катализаторов дают устойчивые специфические гумусовые соединения.

Эти позиции разделяла М. М. Кононова, которая рассматри­ вала гумусовые вещества как продукт конденсации мономеров ароматических соединений фенольного типа с аминокислотами

ипротеинами: фенолы окисляются через семихиноны до хинонов

ипоследние взаимодействуют с аминокислотами при участии ферментов типа фенолоксидаз. Кононова предложила схему про­ цессов гумификации, из которой следует, что все растительные остатки в процессе гумификации проходят стадию ассимиляции микроорганизмами.

Большое внимание процессам гумификации и связи их с почвообразованием уделили французские исследователи Ф. Дюшофур, Ф. Жакен, Веди и др. Ф. Дюшофур (1972) предложил под процессом гумификации понимать совокупность процессов, веду-

112

щих к образованию коллоидного комплекса, трансформированно­ го биохимическим путем из растительных остатков и связанного физико-химическими узами с минеральными коллоидами. Про­ цесс гумификации, по Дюшофуру, имеет две фазы. Первая — биологическая, относительно короткая, в которой господствуют микроорганизмы и их энзимы, завершается образованием «моло­ дого гумуса» с незрелыми связями с минеральной частью почвы. Вторая — фаза созревания — климатическая, более продолжи­ тельная и обусловленная сезонными контрастами климата, за­ вершается формированием зрелого гумуса и упрочением связей с минеральной частью почвы. По мнению Дюшофура, лишь кар­ бонаты и вторичные минералы почвы оказывают стабилизи­ рующее действие на гумус, а климат (особенно в сухой период), способствует усилению процесса полимеризации, что приводит к доминированию серых гумусовых кислот над бурыми. Полиме­ ризация и стабилизация гумусовых кислот, по мнению Дюшо­

разработана схема гумусообразования, включающая процессы распада органических остатков, микробный синтез, гумифика­ цию, взаимодействие с минеральной частью почвы и, с другой стороны, процесс минерализации и вовлечения минеральных ком­ понентов в биологический круговорот (схема 4).

Рассматривая эту схему, следует продукты микробного син­ теза также считать источником гумусовых кислот, соединить эти блоки процессом гумификации и показать, что продукты полу­ распада могут взаимодействовать с минеральной частью почвы и вымываться за пределы почвенного профиля.

Под руководством Л. Н. Александровой была проведена серия целенаправленных работ по изучению динамики процесса гуми­ фикации различных растительных остатков в условиях модель­ ных экспериментов. В понятии Л. Н. Александровой гумификация — сложный биофизико-химический процесс трансформации промежуточных высокомолекулярных продуктов разложения орга­ нических остатков в особый класс органические соединения — гумусовые кислоты.

Л. Н. Александрова (1970) ранее Ф. Дюшофура (1972) выде­

образование, т. е. формирование системы гумусовых кислот, под­ вергающихся в дальнейшем длительным и сложным процессам трансформации. В это же время формируется азотистая часть молекулы гумусовых кислот. На первом этапе происходит и фракционирование образующихся гумусовых кислот по степени растворимости на группу гуминовых и фульвокислот. В резуль­ тате взаимодействия с минеральной частью почвы образуются органоминеральные соединения.

Вторая стадия выражается в постепенном нарастании арома-

113

тизации вследствие частичной деструкции алифатических цепей, путем гидролиза и процессов окисления при участии окислитель­ ных ферментов. Стадия минерализации гумусовых веществ за­ вершает процесс их трансформации.

Скорость и характер гумификации зависят от ряда факторов, среди которых Л. Н. Александрова называет количество и харак­ тер поступления растительных остатков, их химический состав, режим влажности и аэрации, реакцию среды и окислительновосстановительные условия, интенсивность микробиологической деятельности и групповой состав микроорганизмов, а также гра­ нулометрический, минералогический и химический состав мине­ ральной части почвы. Анализ этих факторов в их взаимодействии позволил Л. Н. Александровой охарактеризовать основные типы гумификации органических остатков в почве: фульаатный, гу- матно-фульватный, фульватно-гуматный и гуматный.

Д.С.Орлов (1977) ввел понятие глубины гумификации (Н),

в почву и подвергающихся гумификации растительных остатков; I — интенсивность их трансформации, пропорциональная биохи­ мической активности почв; t — биологически активное время (близкое к длительности вегетационного периода).

114

5.7. Органическое вещество почв специфической

природы

Гумусовые вещества как специфический продукт гумифика­ ции представляют собой гетерогенную полидисперсную систему высокомолекулярных азотсодержащих ароматических соединений кислотной природы. Они представлены гуминовыми кислотами, фульвокислотами и негидролизуемым остатком или гумином. Деление гумусовых веществ на эти группы было основано на способе выделения их из почвы. Исследованиями И. В. Тюрина, М. М. Кононовой, С. С. Драгунова, Л. Н. Александровой, Д. С. Ор­ лова и других были выявлены их специфические качества.

Гумусовые кислоты — особый класс соединений с переменным составом. В пределах этой общей группы гуминовые кислоты и фульвокислоты сохраняют общий принцип строения. Их высо­ комолекулярный характер обусловливает практическую незави­ симость основных физических и химических свойств от неболь­ шого изменения состава.

Гуминовые кислоты (ГК) хорошо растворяются в щелочных растворах, слабо растворяются в воде и не растворяются в ки­ слотах. Из растворов ГК легко осаждаются водородом минераль­ ных кислот и двух- и трехвалентными катионами (Са2 + , Mg2 + , Fe3 + , Al3 + ). Гуминовые кислоты, выделенные из почвы в виде сухого препарата, имеют темно-коричневый или черный цвет, среднюю плотность 1,6 г/см3.

Элементный состав гуминовых кислот в процентах по массе составляет: С — 50—62; Н — 2,8—6,6; О —31—40; N — 2—6. Содержание зольных элементов зависит от степени очистки пре­ парата. Содержание углерода в составе гуминовых кислот мак­ симально в черноземах, а от них уменьшается в сторону более гумидных и более аридных почв. Если же выразить элементный состав ГК в атомных процентах (табл. 19), что дает более пра­ вильное представление о роли отдельных элементов в построении вещества, то стройного зонального ряда ГК не получается. Углерод, выражаемый в процентах, подчеркивает дифференциа­ цию ГК на две большие группы. В первую группу (серых или черных ГК) входят ГК с количеством углерода 40—42%. Во вто­ рую (бурых ГК) — кислоты с количеством углерода 37—38%. При гумификации нарастает степень окисленности ГК.

Молекула ГК имеет сложное строение. Ядро молекулы состав­ ляет бензолполикарбоновые кислоты, ароматические и гетероцик­ лические кольца типа бензола, фурана, пиридина, индола и др. Эти ароматические компоненты соединены непосредственно через углерод ( — С — С — , — С = С — ) ити мостиками ( — О — ,

— N—, —Н—, —СН2 —) в рыхлую сетку. Степень уплотненности ароматических компонентов нарастает в процессе гумификации и по мере зрелости ГК, что ведет к уменьшению их подвижности.

Периферию молекул ГК составляют цепи боковых радикалов,

115

как правило, неароматического строения, в состав которых вхо­ дят углеводные, аминокислотные и углеводородные компоненты. Рыхлое «губчатое» строение молекул ГК, наличие множества пор обусловливает их способность к набуханию и адсорбции. Инте­ ресно, что ядро этих молекул обладает гидрофобными свойства­ ми, а периферические цепочки — гидрофильными. Степень выра­

группы: карбоксильные, фенолгидроксильные, метоксильные, кар­ бонильные, амидные. Кислотные свойства, емкость поглощения, способность образовывать органоминеральные соединения обу­ словлены наличием этих функциональных групп. Емкость погло­ щения ГК возрастает в условиях щелочной среды за счет ионов водорода фенольных гидроксилов.

Вероятные схемы строения структурной ячейки ГК, которые отражают современные представления о компонентах ГК, пред­ ложены И.Д.Комиссаровым (формула 1) и Д.С.Орловым (формула 2):

116

Ароматические и гетероциклические компоненты ГК состав­ ляют 50—60%, углеводные компоненты — 25—30, функциональ­ ные группы — 10—25%.

* Степень окисленности гумусовых кислот вычисляется по уравнению ω = (2Qo— —QH)/QC, где Qo, QH И QC — число молей кислорода, водорода и углерода соот­ ветственно.

Фульвокислоты (ФК) — группа гумусовых кислот, остающая­ ся в растворе после осаждения гуминовых кислот. Они так же, как и ГК, представляют собой высокомолекулярные азотсодер­ жащие органические кислоты. От гуминовых кислот отличаются светлой окраской, более низким содержанием углерода, раство­ римостью в кислотах, большей гидрофильностью и способностью к кислотному гидролизу. Плотность фульвокислот по имеющимся немногочисленным данным равна 1,43—1,61 г/см3. Элементный состав фульвокислот (в % по массе) составляет: С — 41—46, Н — 4—5, N — 3—4. Содержание кислорода зависит от

117